探究不同波长的光对太阳能电池功率的影响*

田冰涛 徐正兴 刘耀昌 刘万林 王 颖 吴 斌 陈东生

(上海电力学院数理学院 上海 200090)

1 引言

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置．利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池．太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流．影响其功率的外部因素主要有光照强度、光照波长、外界温度等．

本次试验主要探究光照波长对其功率的影响[1]．

2 实验原理

实验装置是一种可以模拟阳光下太阳能电池板正常工作的仪器．光源采用碘钨灯，其输出光谱接近太阳光谱．通过调节光源与太阳能电池之间的距离可以改变太阳能电池上的光功率．根据测量装置上显示的输出电流与输出电压，可绘制出相应的伏安特性曲线．制作不同颜色的滤光片可以改变透射的波长，从而实现对不同波长光线对应的伏安特性曲线的测量，进而实现对不同波长对应功率的测量[2]．

图1 测试装置示意图

本实验使用的滤光片为自制滤光片(见图2)，其目的是为了滤除与彩色玻璃纸颜色不同的光．但由于滤光片的滤光效果及程度不同，不能使透射光波长的范围限定在标准波长范围以内，还需要对滤光片的透射光成分进行分析，以便得出较为准确的实验结论[3]．

图2 自制滤光片(蓝色、红色、紫色)

本次实验使用的太阳能电池片为普通单晶硅材质的矩形太阳能电池片，采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，面积为14 cm2．相比多晶硅和非晶硅电池，单晶硅电池的转化效率最高，实验效果也相对明显．一般来说，目前单晶硅电池的响应光谱在400 nm到1 100 nm之间，相应强度从400 nm至900 nm左右递增，通常光谱响应的最大灵敏度在800 nm到950 nm之间，而继续增大波长则响应程度递减．在相同光照强度的情况下，通过不同的滤光片可以达到测试在不同波长范围内最大功率点的效果．

在太阳能光伏器件的所有性能表征手段中，伏安特性测试是最直观、最有效、应用最广泛的一种方法．通过测量伏安特性曲线，并进一步进行数据分析处理，可以直接了解到光伏器件的各项物理性能，包括光电转换的效率、填充因子等．这些数据可以为光伏器件的研究、质检以及应用提供可靠的依据(见图3)．

图3 在一定光照强度下太阳能电池的伏安特性最大功率点(Umax，Imax)

在固定的光照强度下，光电池的输出功率取决于负载电阻R．太阳能电池的输出功率在最佳负载电阻Rbest时，达到最大功率为

Pmax=UmaxImax

(1)

且有

(2)

式(2)中F称为填充因子．某状态下F越大，太阳能电池板的品质越高[4]．

波长不同的电磁波，引起人眼的颜色感觉不同．可见光的波长范围在390～770 nm之间．622～770 nm，感觉为红色；597～622 nm为橙色；577～597 nm为黄色；492～577 nm为绿色；455～492 nm为蓝靛色；455～390 nm为紫色．不同颜色的光对应的能量也不同，根据光电效应，对于光电子的能量Ee，入射光频率ν，应该有以下关系式成立

面向日益复杂多样的环境问题，西方传统科学逐渐形成环境科学群，包括环境自然科学和环境社会科学两大类别。McNeill[8]9曾说：“环境涉及的学科之多，达到了知识追求所能达到的地步。”话语理解的多向度本质和环境科学群的形成决定了环境话语理解的多向度本质和环境话语研究的多学科向度。环境话语研究主要关涉的环境分支学科有生态语言学、环境社会学、环境传播学、环境政治学、环境地理学、环境史学等。

Ee=hν

(3)

其中h为普朗克常量，而不同颜色的光具有不同的波长，也意味着有不同的频率ν和能量hν，内部光电子的能量Ee也就不同，所以太阳能电池板的伏安特性曲线也会随之发生改变，最大功率点亦会偏移．

3 实验步骤

(1)利用分光光度计测出各个滤光片的透射谱．

(2)将装置电源打开，预热3 min．

(3)将不同颜色(红、黄、蓝、紫)的自制滤光片插入装置相应插槽，调节旋钮，改变输出电压U和输出电流I．

(4)在输出电压较小(小于2 V)时，每变化0.1 V记录一次数据；在输出电压较大(大于2 V)时，每变化0.01 V记录一次数据．

4 实验数据的测量及分析

(1)利用分光光度计测出不同滤光片的透射谱，如图4所示．基于此图可以得到如下信息.

图4 四种不同颜色的滤光片的透射谱

1)紫光滤光片几乎在被测全波长范围内的透光强度均大于蓝色滤光片的透射光强度；

2)红色滤光片约在波长大于550 nm的范围内的透射光强度明显大于蓝色、紫色滤光片，而在小于550 nm的范围内则小于蓝、紫两种滤光片；

3)黄色滤光片透射光在波长集中在大于500 nm的范围内，且在这一范围内，其光强较其他滤光片最大；但在波长小于500 nm的范围内，其透射光强度则远小于其他3种滤光片．

(2)使用太阳能电池特性测试装置，通过直接测量，可读出不同滤光片透射情况下的输出电流和输出电压，数据见表1．

表1 四种不同颜色滤光片输出I-U数据

由已测得的被测太阳能电池片的面积数据，再根据表中数据，采用Origin8.0软件拟合出不同波长下电池片的J-U图像(如图5)，图中JRed、JYellow、JPurple和JBlue分别表示在同一输出电压下，红色、紫色、蓝色滤光片对应的输出电流密度．

图5 电池片伏安特性曲线

结合公式(1)和公式(2)可近似计算出各波长相应的最大功率密度、短路电流和填充因子，如表2所示．

表2 四种不同颜色滤光片对应电池的重要参数

根据图5和表2数据，可以得到：

1)不同颜色的滤光片对电池的开路电压和填充因子F几乎不产生影响；

2)紫色滤光片对应的最大功率、短路电流均大于蓝色的滤光片，但小于红色和黄色滤光片；

3)采用红色滤光片的太阳能电池最大功率、短路电流大于蓝色和紫色两种滤光片，小于黄色滤光片；

4)黄色滤光片的测试最大功率和短路电流在4种滤光片中最大．

5 实验结论

根据上文的对比、分析，可以得出以下结论：

(1)被测单晶硅材料的电池片对暖色热光源响应明显，即当波长较大的光(如红、黄光)照射时，电池片的功率相对较高；而在波长较短的光(如蓝、紫光)范围内响应较弱，电池板功率相对较低；

(2)波长较长的光的光强变化对电池片的最大功率影响显著，而波长较短的光的光强变化对电池片最大功率影响微弱；

(3)不同波长的光主要影响电池片的短路电流密度Jsc的大小，对开路电压Uoc、填充因子F几乎没有影响；

参考文献

1 李振全，徐云亮,等.几种太阳能电池组件比功率发电量的模拟与比较.电工电气，2010(4):30～32

2 王殿元,王庆凯,等.硅太阳能电池光谱响应曲线测定研究性实验.物理实验，2007,27(9):8～10

3 唐爽，岑剡.利用硅光电池测量单晶硅半导体材料的禁带宽度.物理实验，2008,28(11):6～8

4 唐敏，任奇.一种太阳能电池最大功率点跟踪的算法研究.通信电源技术，2007，24(4):12～17